中微子的秘密

陳曉軍

今年諾貝爾物理學(xué)獎授予日本的梶田隆章與加拿大的阿瑟·麥克唐納，以表彰他們發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，該發(fā)現(xiàn)表明中微子擁有質(zhì)量。中微子是輕子的一種，它在宇宙中無處不在，幾乎零質(zhì)量，很少與其他任何物質(zhì)互動，因而很難研究它們。梶田隆章和麥克唐納使用日本、加拿大兩國的大型儀器對中微子做出了重要的測量，他們的研究證明中微子存在質(zhì)量。這個發(fā)現(xiàn)對粒子物理學(xué)影響深遠，甚至在我們對宇宙的理解上都有突破性的意義。

中微子的預(yù)言

我們生活在一個中微子的世界里。每一秒都有數(shù)以萬億計的中微子通過你的身體。但你看不到它們，也感受不到它們的存在。中微子幾乎以光速在宇宙中傳播，幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用。那么它們究竟來自何方？其中一些中微子是在宇宙大爆炸中產(chǎn)生的，其他則產(chǎn)生于空間或地球上的各種不同過程之中——從恒星衰亡時的超新星爆發(fā)，到核電站內(nèi)的反應(yīng)堆，以及自然發(fā)生的放射性衰變過程，等等。甚至在我們的身體內(nèi)部，平均每秒也有超過5000個中微子在鉀的同位素衰變過程中被產(chǎn)生出來。在抵達地球的中微子中，大部分都源自太陽內(nèi)部的核反應(yīng)過程。在整個宇宙中，中微子的數(shù)量僅次于光子，是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。

然而，長期以來科學(xué)家們甚至都無法確認中微子是否真的存在。事實上，當中微子的概念最早由物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇岢鰜頃r（泡利是1945年諾貝爾獎獲得者），他的主要目的是想為由于β衰變過程中表現(xiàn)出來的能量不守恒現(xiàn)象而感到絕望的物理學(xué)家們找到一個解釋。β衰變是原子核衰變的一種形式。1930年12月，泡利以“親愛的（從事）放射性（研究的）女士們和先生們”開頭，致信給他的物理學(xué)同行。在這封信中，泡利提出，β衰變過程中的一部分能量可能是被一種具有電中性、弱相互作用且質(zhì)量極小的粒子帶走了。但甚至是泡利本人也幾乎不相信這樣一種粒子是真實存在的。據(jù)說他曾經(jīng)說過這樣的話：“我做了一件糟糕的事情，我提出了一種不可能被探測到的粒子?！?/p>

不久之后，意大利物理學(xué)家費米（1938年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）提出了一種優(yōu)雅的理論，這個理論將泡利所提出的這種質(zhì)量極小且具有電中性的粒子也包含在內(nèi)。這種粒子被稱作“中微子”。沒有人會想到，這種小小的粒子將引發(fā)粒子物理學(xué)乃至宇宙學(xué)的革命。

太陽中微子失蹤之謎

我們知道，萬物生長靠太陽。太陽的能量從哪里來？20世紀上半葉，物理學(xué)家們普遍相信太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫到氦的核聚變反應(yīng)。 1939年，德國科學(xué)家貝特等人提出：在太陽內(nèi)部每4個氫核（即質(zhì)子）轉(zhuǎn)化成1個氦核、2個正電子和2個神秘的中微子。太陽正是由這種核聚變反應(yīng)釋放出來的能量發(fā)光發(fā)熱，哺育著地球上的萬物。隨著熱核反應(yīng)的進行，中微子被源源不斷地釋放出來。1956年，美國科學(xué)家萊因斯和科萬利用核反應(yīng)堆實驗首次測到為數(shù)不多的中微子。萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎。科學(xué)家認為：假如貝特的理論是正確的，我們可以根據(jù)太陽釋放的能量，精確地計算出太陽釋放出多少中微子以及它們的能量分布。但是科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一個問題：測到的中微子數(shù)僅有預(yù)期的三分之一。這就是物理學(xué)中著名的“太陽中微子失蹤之謎”。

為了建立更加完善的基本粒子物理理論，需要解決太陽中微子失蹤之謎。但是直到20世紀末，這一問題仍然沒有得到圓滿的解決。

發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩

20世紀70年代末，日本的小柴昌俊提出進行神岡實驗，來尋找質(zhì)子衰變。神岡實驗沒有找到質(zhì)子衰變，但是發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：來自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中會產(chǎn)生大量中微子，稱為大氣中微子，包括電子中微子、μ中微子以及它們的反粒子。1988年，小柴昌俊的學(xué)生、29歲的梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，測到的中微子比預(yù)期少，被稱為“大氣中微子反常”。

如果不是大自然的慷慨，大氣中微子反常之謎也許還要延續(xù)很久，因為中微子太難探測，更準確的實驗需要大筆的經(jīng)費投入。就在小柴昌俊退休前不久，銀河系的小兄弟大麥哲倫星云內(nèi)有一顆恒星走到了生命的終點，它的臨終掙扎就是超新星爆發(fā)——SN1987A（實際上它的光傳到地球上需要16.8萬年）。它的光芒蓋過了整個星系，肉眼就可見到。這是400年來觀測到的最明亮的超新星。神岡實驗觀測到了它發(fā)出的中微子，證實了超新星爆發(fā)會產(chǎn)生極其多的中微子。小柴昌俊因“觀測到來自宇宙的中微子”，與戴維斯一起分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。

到了20世紀90年代，神岡探測器進行了第二次擴建，這一次規(guī)模擴大了10倍，用了5萬噸超純水和11200個光電倍增管，并改名為氣勢十足的超級神岡探測器。1996年，超級神岡探測器開始取數(shù)。超級神岡探測器也通過切倫科夫光來探測中微子，除了太陽中微子，超級神岡實驗主要用來探測大氣中微子信號。1998年，超級神岡實驗的領(lǐng)導(dǎo)人之一，梶田隆章發(fā)表了實驗的測量結(jié)果，第一次證實了中微子振蕩現(xiàn)象的存在。

丟失的太陽中微子找到了

2001年6月18日中午12時15分，由加拿大人阿瑟·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的美國、英國和加拿大科學(xué)家組成的中微子實驗組宣布了一個激動人心的消息：他們解決了太陽中微子難題。這個國際合作小組使用了1000噸重水來探測中微子。探測器放置在加拿大南部城市薩德伯里地下2000米深的一個礦井中。他們用一種不同于神岡實驗和超級神岡實驗的新方法探測高能區(qū)的太陽中微子。這個實驗不但確定了電子中微子的數(shù)量，還確定了來自太陽的3種類型的中微子的總量，結(jié)果與太陽模型的預(yù)言相一致。電子中微子占所有中微子總數(shù)的三分之一。這樣，問題的關(guān)鍵就清楚了：雖然在地面觀測到的電子中微子數(shù)量只占太陽中微子總數(shù)的三分之一，但是后者并沒有減少;丟失的電子中微子并沒有“消失”，只是轉(zhuǎn)變成了難以探測的μ中微子和τ中微子。

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諾貝爾物理學(xué)獎四度青睞中微子

1962年，萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格在美國布魯克海文實驗室利用質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)了第二種中微子μ中微子。他們因此獲得了1988年的諾貝爾物理學(xué)獎。后來人們證實總共有3種中微子。

1956年，美國科學(xué)家萊因斯和科萬利用核反應(yīng)堆實驗首次測到為數(shù)不多的中微子。萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1998年，日本的Super-K實驗以確鑿證據(jù)證實中微子的丟失，是因為中微子發(fā)生了振蕩。美國的戴維斯和日本的小柴昌俊因為對太陽中微子和大氣中微子的研究，同時獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。

本年度日本科學(xué)家梶田隆章、加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納再次因“中微子”獲獎，他們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，從而證實了中微子有質(zhì)量。使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反常現(xiàn)象得到了合理的解釋。

諾貝爾獎為何頻頻頒給“中微子”？

我們知道，諾貝爾獎頒獎十分謹慎，甚至苛刻，在諾貝爾獎歷史上，對同樣領(lǐng)域的研究能4次獲獎的，除了中微子外再無其他，中微子到底有怎樣的魅力？這主要是因為，中微子的研究對人們認識宇宙起源與發(fā)展有重大意義。100年前，中微子對所有人來說都是謎，我們根本不了解它。一開始我們以為中微子是沒有質(zhì)量的。在這個邏輯前提下，我們認為可能有一些影響中微子質(zhì)量的物理學(xué)定律還未發(fā)現(xiàn)。但是現(xiàn)在我們知道了中微子是有質(zhì)量的，也就是說并不存在我們還未發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)定律。但是，中微子研究至今仍有許多未解之謎：一是，雖然我們知道中微子有質(zhì)量，但卻不知道它的質(zhì)量到底是多少;第二個問題就是，中微子為什么這么輕依然有質(zhì)量？也就是說，我們對中微子知道得仍然太少，每一個發(fā)現(xiàn)都是這個領(lǐng)域的重量級發(fā)現(xiàn)。中微子的魅力在全球物理學(xué)界將不斷延續(xù)。

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中國大亞灣中微子實驗

大亞灣中微子實驗是中國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國際合作項目，由中國、美國領(lǐng)導(dǎo)，俄羅斯、捷克及中國香港與中國臺灣科學(xué)家共同參與。其2006年立項，2007年10月動工，2011年年中逐步完成探測器的建造與安裝，同年8月開始近點取數(shù)、12月下旬開始遠近點同時運行。整個實驗建有總長3000米的隧道和3個地下實驗大廳，3個實驗大廳共放置8臺中微子探測器，每臺探測器高5米、直徑5米、重110噸，均置于10米深的水池中。

2012年3月8日，大亞灣中微子實驗首次發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，其振蕩概率為9.2%，誤差為1.7%，此測量結(jié)果的置信度為5.2西格瑪。此次大亞灣中微子實驗，以超過5倍的標準偏差確立了中微子的第三種振蕩模式，更精確地測定了中微子相互振蕩的3個混合角中的最后一個角θ13。這一重要成果是對物質(zhì)世界基本規(guī)律的一個新的認識，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中的“反物質(zhì)消失之謎”。

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